地面三維激光掃描在交通事故勘查及重建中的應(yīng)用進(jìn)展

關(guān) 闖，馮 浩，衡威威，張志勇，李 威，姜鎮(zhèn)飛

（司法鑒定科學(xué)研究院，司法部司法鑒定重點實驗室，上海市司法鑒定技術(shù)服務(wù)平臺，上海 200063）

地面三維激光掃描（terrestrial 3D laser scanning,TLS）技術(shù)，又稱實景復(fù)制技術(shù)，是一種集光學(xué)、電子、計算機(jī)、軟件工程等技術(shù)于一體的新興測量技術(shù)[1]。El-Hakim于1997年開發(fā)的室內(nèi)三維測繪與虛擬環(huán)境系統(tǒng)可以看作是地面三維激光掃描系統(tǒng)的雛形[2]，此后經(jīng)過20多年的發(fā)展，地面三維激光掃描系統(tǒng)已經(jīng)形成了相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，主流的設(shè)備供應(yīng)商包括美國的Surphaser、Trimble、FARO，加拿大的Optech，德國的Z&F，瑞士的Leica，奧地利的Riegl以及國內(nèi)的南方測繪、武漢海達(dá)數(shù)云等，軟件解決方案有Trimble PointScape、FARO SCENE、Leica cyclone以及第三方軟件Geomagic、Polyworks等[3-4]。

地面三維激光掃描系統(tǒng)根據(jù)載體不同可以分為移動式掃描系統(tǒng)和固定式掃描系統(tǒng)[5]，一般地，地面三維激光掃描系統(tǒng)往往特指固定式掃描系統(tǒng)。移動式系統(tǒng)以激光掃描儀為主體，輔以全景電感耦合器件（charge coupled device, CCD）相機(jī)、里程計、全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）以及慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU），多應(yīng)用于城市測繪、高精度地圖等場景[6]。近年來，固定式掃描系統(tǒng)也通過配備數(shù)碼相機(jī)的方式獲取目標(biāo)色彩信息，進(jìn)一步擴(kuò)展了固定式掃描系統(tǒng)的靈活性和適用性。在公共安全領(lǐng)域，Hakim等[7]將TLS應(yīng)用于刑事偵查中血濺原點的推斷；Johnson等[8]利用FARO三維激光掃描儀進(jìn)行犯罪嫌疑人的身高信息估計；此外，Vock與大眾汽車公司事故調(diào)查部門合作，利用移動激光掃描技術(shù)設(shè)計了交通事故現(xiàn)場自動分割重建的系統(tǒng)[5]；Topolsek等[9]對交通事故調(diào)查測量工具進(jìn)行了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性分析，通過對比全站儀、GPS、TLS以及攝影測量等工具，發(fā)現(xiàn)TLS具有高度還原事故現(xiàn)場、有效減少事故引起的交通延誤等優(yōu)勢。

綜上所述，得益于高精度、非接觸、自動化采集等技術(shù)特點，TLS的應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于傳統(tǒng)的工程測繪，而是呈現(xiàn)多樣性特點。本文主要對地面三維激光掃描技術(shù)的技術(shù)原理、作業(yè)流程、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行簡要闡述，重點研究其在交通事故現(xiàn)場勘查及過程重建中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用實例，為利用TLS技術(shù)開展道路交通事故勘查重建提供新的思路和解決方案。

1 TLS的技術(shù)原理與作業(yè)流程

1.1 技術(shù)原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、接收器、反射鏡、時間計數(shù)器（鑒相器）以及控制電路等組件構(gòu)成，用來獲取被測物體表面三維坐標(biāo)和反射光強(qiáng)度。如今的地面三維激光掃描系統(tǒng)還利用高分辨率相機(jī)對掃描之后的場景進(jìn)行全景拍攝，通過貼圖或者映射等手段獲取表面紋理及色彩信息，圖1為地面三維激光掃描系統(tǒng)的工作示意圖。

如圖1所示，激光發(fā)射器產(chǎn)生的激光束經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的反射鏡片的引導(dǎo)獲得豎直測量范圍、利用平臺自身的轉(zhuǎn)動獲得水平測量范圍，期間，時間計數(shù)器捕捉漫反射的脈沖信號獲取不同點位的反射時間差（相位差），進(jìn)而計算點位距離，控制電路的時鐘編碼器會記錄脈沖信號的水平角度α和豎直角度θ，最后通過公式（1）將記錄點位的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間三維坐標(biāo)。

1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

受限于TLS測量范圍以及光學(xué)特性，現(xiàn)場勘查往往需要依據(jù)地形、地物的分布特征，綜合時間和采樣密度等因素確定作業(yè)范圍和攝站的布設(shè)方案。攝站的布設(shè)一般遵循的原則：1）盡可能地避免掃描盲區(qū)的出現(xiàn)。2）在保證測量需求的前提下合理安排攝站位置，盡可能地減少攝站數(shù)量，以減少不同攝站數(shù)據(jù)拼接帶來的誤差。3）考慮攝站周邊的交通環(huán)境，盡量避免引入行人、車輛等運動目標(biāo)的噪聲干擾[10]。

此外，為了保證不同攝站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確拼接，需要人工布設(shè)標(biāo)靶提供拼接同名點，參考測繪行業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》（CH/Z 3017-2015）可知：單一攝站內(nèi)的標(biāo)靶數(shù)量應(yīng)不少于4個、相鄰兩攝站之間的同名標(biāo)靶數(shù)量應(yīng)不少于3個，同時，標(biāo)靶的布設(shè)應(yīng)均勻且高低錯落[11]。

1.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)測量獲取的原始數(shù)據(jù)包含有點云坐標(biāo)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，單一攝站所在局部坐標(biāo)系的方位未知且難以反映現(xiàn)場全貌，因此有必要將多攝站點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至絕對坐標(biāo)系統(tǒng)，常規(guī)的方法是借助同名靶標(biāo)來實現(xiàn)。通過多攝站的數(shù)據(jù)拼接可以有效地剔除障礙物以及行人、車輛等運動目標(biāo)的干擾噪聲，最后將幾何校正后的影像數(shù)據(jù)映射至三維點云即可獲取包含紋理數(shù)據(jù)的點云全景圖。地面三維激光掃描儀的工作流程如圖2所示。

2 TLS在交通事故領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 交通事故現(xiàn)場勘查

交通事故現(xiàn)場勘查是交通事故處理的重要組成部分。根據(jù)弗吉尼亞州交通研究委員會的研究報告，在美國，大約有25%的交通堵塞是由于交通事故引起的[12]。另有研究顯示，交通事故現(xiàn)場每持續(xù)一分鐘，發(fā)生二次事故的風(fēng)險就會增加2.8%[13]。因此，準(zhǔn)確、快速的現(xiàn)場勘查不僅對交通事故調(diào)查、責(zé)任認(rèn)定具有重要意義，同時也可以有效防止二次事故，降低經(jīng)濟(jì)損失。

交通事故現(xiàn)場勘查的目的之一是形成交通事故現(xiàn)場圖，它也是事故案卷中的核心材料之一，傳統(tǒng)的手工繪制的方法需要勘查人員邊測量、邊繪制、邊標(biāo)注，導(dǎo)致交通事故現(xiàn)場圖存在比例失調(diào)、精準(zhǔn)度欠佳等問題。Pagounis等[14]利用Leica HDS2500地面激光掃描儀獲取事故現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)，并在CAD環(huán)境中繪制現(xiàn)場平面圖，研究表明地面三維激光掃描儀的方案具有可以快速清理交通事故現(xiàn)場、有效縮短交通中斷時間以及永久保存事故場景等優(yōu)勢。同濟(jì)大學(xué)金雯[15]利用三維激光掃描技術(shù)對交通事故現(xiàn)場進(jìn)行快速處理，在模擬實驗中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集僅耗時15 min。英國運輸研究實驗室的Forman等[16]提出事故現(xiàn)場的三維點云可以作為構(gòu)成二維或三維CAD平面圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時也指出在當(dāng)時還沒有專門為交通執(zhí)法定制的激光掃描軟件。2014年FARO在收購CAD Zone的基礎(chǔ)上推出了FARO Zone，包含2D和3D兩個版本，主要面向交通事故、刑事犯罪和火災(zāi)調(diào)查等領(lǐng)域，其中3D版本重點從三維視角出發(fā)，關(guān)于Zone 3D在交通事故領(lǐng)域的應(yīng)用將在下節(jié)具體論述。此外，為了滿足用戶的工程繪圖需要，各大軟件廠商都推出了與AutoCAD繪圖環(huán)境的交互模塊，如Leica的CloudWorx for AutoCAD、FARO的Point-Sense以及SCENE的DrawToCAD等，利用這些插件可以很方便地在點云數(shù)據(jù)中勾繪出精準(zhǔn)的交通事故現(xiàn)場圖。圖3a是作者模擬事故現(xiàn)場的點云正視圖，圖3b是利用DrawToCAD勾繪的交通事故現(xiàn)場圖。

現(xiàn)實情況下，交通事故現(xiàn)場還會存在著復(fù)勘的需求[17]，但由于交通事故現(xiàn)場的高度開放性，遺留在現(xiàn)場的散落物、輪胎印痕等物證信息往往不復(fù)存在，給事故、案件的調(diào)查造成了一定的困擾。傳統(tǒng)的基于近景攝影測量方法通常只能解決平面測量，而將復(fù)勘獲取的點云數(shù)據(jù)與第一現(xiàn)場的勘查照片進(jìn)行匹配，還可以對丘陵等復(fù)雜地形下的物證進(jìn)行有效定位，如果校正相機(jī)畸變，其平均定位誤差可小于10 cm[18]。但點云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)的自動匹配涉及數(shù)據(jù)降維、特征匹配以及透視成像等理論，技術(shù)難度較大，現(xiàn)階段可以借助諸如3DS Max等軟件人工實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匹配融合。未來，隨著TLS系統(tǒng)在交通事故勘查中的應(yīng)用和普及，上述現(xiàn)場復(fù)勘的作業(yè)方案也有望應(yīng)用于交通事故第一現(xiàn)場的快速處理。

2.2 事故過程實景再現(xiàn)

地面三維激光掃描系統(tǒng)能夠真實記錄事發(fā)現(xiàn)場的三維場景數(shù)據(jù)，借助三維場景進(jìn)行仿真再現(xiàn)已經(jīng)在事故調(diào)查、訴訟活動中得以應(yīng)用，并且展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。Poole等[19]利用RIGEL LMS-Z210掃描儀和ISiTE三維分析軟件對一起車輛失控并導(dǎo)致側(cè)翻的事故進(jìn)行了動力學(xué)仿真計算，將生成的事發(fā)路段的地形曲面模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入HEV（human environment vehicle）三維仿真環(huán)境中分析涉案車輛的速度信息。DSD公司開發(fā)的PC-CRASH自10.1版本也引入環(huán)境和車輛點云數(shù)據(jù)以期達(dá)到事故仿真過程逼真再現(xiàn)的目的，PC-CRASH允許加載包含位置信息或附加色彩信息形式的點云，值得一提的是，仿真所涉及的車輛模型是通過將點云數(shù)據(jù)以貼圖的形式貼附在車體表面的形式實現(xiàn)，此時的車輛具有動力學(xué)響應(yīng)，能夠進(jìn)行各種受力狀態(tài)的反饋。本文利用PC-CRASH對某道路發(fā)生的一起真實交通事故在三維點云場景中進(jìn)行事故仿真，仿真的效果如圖4所示。

不同于傳統(tǒng)的事故仿真軟件，F(xiàn)ARO Zone 3D對交通事故場景的支持較為強(qiáng)大，包含有道路模型、Google地圖以及點云等多種數(shù)據(jù)類型，除了允許用戶以常規(guī)視角觀察三維場景，還提供了在虛擬現(xiàn)實中漫游事故現(xiàn)場的功能。Zone 3D通過自帶的碰撞分析工具解決車輛狀態(tài)求解問題，但是目前僅支持拖滑、追尾、側(cè)翻等簡單事故類型，為了提高交通事故分析再現(xiàn)能力，Zone 3D還提供了利用事件數(shù)據(jù)記錄器（event data recorder，EDR）、HEV、Virtual Crash和PC-CRASH等車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真的交互接口，能夠自動定位和生成車輛的路徑信息。總體來說，現(xiàn)有的事故過程實景再現(xiàn)大都僅是將點云數(shù)據(jù)作為場景模型進(jìn)行輸入，鮮有涉及點云數(shù)據(jù)的分類分割與場景理解，而后兩者是實現(xiàn)交通事故過程高水平實景再現(xiàn)的關(guān)鍵。

2.3 事故關(guān)鍵參數(shù)測量

交通事故遺留在車輛或人體等相關(guān)物體上的形態(tài)特征對于分析事故過程具有重要意義。通用和豐田等汽車廠商與科研機(jī)構(gòu)都開展過針對道路交通事故研究的實車碰撞試驗，嘗試從動力學(xué)分析角度還原車輛碰撞過程，如美國國家高速公路安全管理局利用車輛變形量計算等效速度變化量，其難點在于變形量的精確測量和等效模型的建立[20]。Chapman等[21]利用Optech ILIRS-3D地面激光掃描系統(tǒng)獲取車身輪廓數(shù)據(jù)，通過與樣車數(shù)據(jù)的擬合、比對，分析量化車輛在水平與垂直平面的三維位移矢量，同時也提到了借助TLS采集的密集點云可以建立更加精確的車體非線性變形模型。江蘇大學(xué)的王洪寶等[22]注意到CRASH準(zhǔn)則在垂直方向上適用性欠佳的問題，其對上側(cè)、縱梁以及下側(cè)三個部位的變形賦予不同的權(quán)重系數(shù)，利用三維激光掃描技術(shù)，在Geomagic軟件中實現(xiàn)事故車與原型車點云的自動配準(zhǔn)，可以很方便地計算得到所謂的車輛三維等效變形量。Dima等[23]依據(jù)DSD公司2014年在奧地利林茨開展的全尺寸實車碰撞試驗進(jìn)行基于點云數(shù)據(jù)的PC-CRASH仿真研究，通過三維掃描技術(shù)評估事故碰撞過程中的能量損失，試驗車輛的狀態(tài)真值為EDR事件數(shù)據(jù)，試驗表明仿真結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相當(dāng)接近，同時也從側(cè)面驗證了三維激光掃描技術(shù)在事故車輛變形量精細(xì)建模方面的優(yōu)勢。

車體的變形是事故過程的宏觀表現(xiàn)，能夠直觀體現(xiàn)事故碰撞形態(tài)、劇烈程度等信息，而車輛的某些特定部位、結(jié)構(gòu)的狀態(tài)信息對于事故調(diào)查分析同樣具有特殊的價值。汽車與行人或騎行人事故依然是我國致死率較高的交通事故類型，2009年清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能實驗室的許駿等[24]基于PVB夾層風(fēng)擋玻璃的材料特點，提出了利用風(fēng)擋玻璃凹陷量求解事故車輛速度的計算模型，此后，Chen等[25]開展了基于三維激光掃描儀重建風(fēng)擋玻璃曲面的工作，通過對風(fēng)擋玻璃點云的樣條擬合處理獲取變形區(qū)域的三維NURBS曲面，如圖5所示，可以準(zhǔn)確提取風(fēng)擋玻璃的最大變形深度以及沖擊變形面積等信息，為事故分析重建提供了一種新的思路。武漢理工大學(xué)和公安部交通管理科學(xué)研究所在利用三維激光掃描技術(shù)分析車輛碰撞角度的研究方面也取得了一定的成果[26]。

除此之外，針對涉及人體損傷的道路交通事故，從損傷檢驗、致傷機(jī)制等角度開展事故調(diào)查分析也是目前的研究熱點，國內(nèi)主要從事該方面研究的有司法鑒定科學(xué)研究院、第三軍醫(yī)大學(xué)等，同樣有將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于交通事故重建的實踐[27]，這里不再展開。整體來看，無論開展車體變形還是人體損傷的參數(shù)測量，事故分析重建依然需要借助動力學(xué)、運動學(xué)以及有限元建模等手段，因此，其難點在于利用精細(xì)化參數(shù)數(shù)據(jù)優(yōu)化事故重建理論模型，從而達(dá)到提升事故重建精確度的目的。

2.4 結(jié)合視頻的車輛運動狀態(tài)重建

利用視頻圖像開展交通事故涉案車輛的運動狀態(tài)重建是目前的研究前沿，視頻圖像具有檢材豐富、準(zhǔn)確直觀等優(yōu)勢，但是由于成像過程深度信息的缺失，車輛狀態(tài)重建結(jié)果往往局限于二維平面，目前最新的探索方向是借助地面三維激光掃描技術(shù)，將車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的解算由二維平面拓展到三維空間。

地面三維激光掃描產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以看作是對場景空間的密集采樣，而視覺傳感器成像過程就是包含空間量化和幅度量化的一系列采樣過程，因此，通過三維點云數(shù)據(jù)與視頻圖像的配準(zhǔn)，理論上可以獲取圖像中任一像素點的空間位置。具體地，點云數(shù)據(jù)與靜態(tài)圖像的配準(zhǔn)多應(yīng)用于事故現(xiàn)場的勘查[17-18]，而與動態(tài)視頻結(jié)合則可應(yīng)用于解算涉案車輛的運動狀態(tài)信息。Neale等[28]基于路側(cè)監(jiān)控開展了提取目標(biāo)物空間位置和速度信息的試驗研究，試驗地點為一十字交叉路口，設(shè)計了車輛、騎行人以及行人等研究對象，其整體思路是首先利用TLS采集試驗路段的空間點云數(shù)據(jù)，其次將PFTrack跟蹤到的二維像素坐標(biāo)映射至三維點云，進(jìn)而獲取目標(biāo)特征的空間位置序列，最后與目標(biāo)物體搭載的V-BOX數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，試驗結(jié)果證實了該方法的有效性與準(zhǔn)確性且受視頻質(zhì)量的干擾較小。

車載監(jiān)控記錄的行車錄像同樣是開展車輛運動狀態(tài)重建的重要材料，將行車影像與點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)可同時解算自車和視野中環(huán)境車輛的運動狀態(tài)，環(huán)境車輛的求解與Neale的方法[28]類似，即借助點云獲取二維像素對應(yīng)的空間位置，而自車運動狀態(tài)的求解則通過反求相機(jī)的空間位置實現(xiàn)，本文采集的行車畫面如圖6a所示，行車影像與本文采集的點云進(jìn)行配準(zhǔn)的效果如圖6b所示。

圖6b中黃色相機(jī)模型為反求的圖6a時刻的相機(jī)空間位置。相機(jī)空間位置的反求主要涉及立體視覺領(lǐng)域經(jīng)典的PnP（perspectivenpoint）問題，其核心在于利用三維點云與二維圖像之間的同名點對開展相機(jī)位姿求解，該類算法廣泛應(yīng)用于視覺SLAM領(lǐng)域，經(jīng)典的位姿估計算法如 EPnP[29]（effi cient PnP）、UPnP[30]（uncalibrated PnP）以及OPnP[31]（optimal PnP）等。值得一提的是，3DS Max可以利用點云數(shù)據(jù)和圖像的配準(zhǔn)實現(xiàn)相機(jī)位置、方位和鏡頭參數(shù)的計算。Manuel等[32]對行車影像與航空攝影、全站儀以及三維激光掃描獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)分別進(jìn)行配準(zhǔn)分析，并與差分GPS記錄的車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，試驗結(jié)果顯示三維激光掃描數(shù)據(jù)的精度最高，自車行駛速度的重建平均誤差為2%，環(huán)境車輛的重建平均誤差也僅為2.4%，重建精度足以滿足交通事故調(diào)查需要。

3 結(jié)束語

目前，地面三維激光掃描系統(tǒng)的測量精度和采樣速度均已達(dá)到較高水平，其高精度、非接觸、自動化采集等技術(shù)特點也為交通事故領(lǐng)域帶來了新的作業(yè)方式和再現(xiàn)視角。但同時，TLS技術(shù)在道路交通事故中的應(yīng)用還有以下問題值得思考。

3.1 技術(shù)層面

TLS技術(shù)在交通事故重建中的應(yīng)用整體還停留在對涉案物證外廓的精細(xì)建模階段，較為依賴傳統(tǒng)的重建理論和方法，而受限于測量手段，傳統(tǒng)方法多理想化、簡單化處理，利用TLS技術(shù)可以優(yōu)化出解釋能力更強(qiáng)的計算模型，例如車體變形量的非線性表達(dá)等，另一方面，借助TLS測量手段，也可以根據(jù)事故調(diào)查需求，開發(fā)出新的特征參數(shù)計算方法。

結(jié)合TLS點云與視頻圖像數(shù)據(jù)是最新的發(fā)展方向，其不僅能夠解決事故現(xiàn)場物證定位，還能夠解算車輛運行狀態(tài)信息。雖然現(xiàn)有的研究成果[28,32]顯示其已經(jīng)達(dá)到了較高的精度，但是研究涉及的交通事故場景較為單一，且沒有對影響車輛運行狀態(tài)解算的變量進(jìn)行系統(tǒng)分析，例如圖像畸變校正誤差、特征點高度以及場景點云數(shù)據(jù)密度等，需要下一步開展試驗驗證。

TLS技術(shù)在國內(nèi)交通事故領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范相對滯后，目前僅《道路交通事故現(xiàn)場圖繪制》（GA/T 49-2019）對交通事故的現(xiàn)場繪圖有所提及，未來需進(jìn)一步加強(qiáng)TLS技術(shù)在交通事故勘查和重建中的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以確保道路交通事故調(diào)查與重建的質(zhì)量。

3.2 應(yīng)用層面

TLS技術(shù)開展交通事故勘查的優(yōu)勢在于場景還原度高，但其事故勘查時效的優(yōu)勢并不明顯。以筆者單位利用TLS開展事故現(xiàn)場勘查的實際來看，涉及多攝站拼接的外業(yè)測量時間普遍超過30 min，此外，交通事故現(xiàn)場的開放特性容易引入運動目標(biāo)噪聲，后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理環(huán)節(jié)仍需花費較多精力進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的精修。

現(xiàn)階段TLS系統(tǒng)的價格仍較為高昂，且需要配套點云數(shù)據(jù)處理的硬件設(shè)備和軟件環(huán)境，同時對使用人員的專業(yè)知識要求較高，需要具備一定的交通事故工程學(xué)以及計算機(jī)視覺專業(yè)基礎(chǔ)。目前將TLS技術(shù)應(yīng)用在一線事故處理部門尚不成熟，相關(guān)單位亦可結(jié)合自身工作需要與人員配置情況利用TLS系統(tǒng)開展道路交通事故勘查和事故重建工作。